Kubernetes的安全机制

Posted 2022-04-16 Richard_Chiang

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Kubernetes的安全机制相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

K8S的安全机制

机制说明

Kubernetes作为一个分布式集群的管理工具，保证集群的安全性是其一个重要的任务。API Server 是集群内部各个组件通信的中介，也是外部控制的入口。所以Kubernetes 的安全机制基本就是围绕保护API Server来设计的。
比如kubectl如果想向API Server请求资源，需要过三关，第一关是认证（Authentication），第二关是鉴权（Authorization），第三关是准入控制（Admission Control），只存通过这三关才可能会被K8s创建资源。

认证（Authentication）

HTTP Token 认证：通过一个Token来识别合法用户

HTTP Token的认证是用一个很长的特殊编码方式的并且难以被模仿的Token字符串来表达客户的一种方式。Token是一个很长的很复杂的字符串，每一个Token对应一个用户名存储在API Server能访问的文件中。当客户端发起API调用请求时，需要在HTTP Header里放入Token。

token认证
kubelet首次连接apiserver token认证
dashboard登录时
kubedam添加节点node master
docker私有仓库插件dockerconfigjson类型secret资源时

HTTP Base 认证：通过用户名+密码的方式认证

用户名：密码用BASE64算法进行编码后的字符串放在HTTP Request中的Heather Authorization域里发送给服务端，服务端收到后进行解码，获取用户名及密码。

HTTPS 证书认证（最严格）：基于CA根证书签名的客户端身份认证方式。

使用证书访问的工作流程：

具体请查看文档：https://blog.51cto.com/u_15382481/5105844

（1）客户端发起HTTPS请求，连接到服务器的443端口。
（2）服务器必须要先申请好一套数字证书（证书内容有公钥、证书颁发机构、失效日期等）。
（3）服务器将自己的数字证书发送给客户端（公钥在证书里面，私钥由服务器持有）。
（4）客户端收到数字证书之后，会先验证证书的合法性。如果证书验证通过，就会使用伪随机数生成器（/dev/random）随机生成一个【对称密钥】，使用证书的公钥加密这个【对称密钥】。
（5）客户端将公钥加密后的【对称密钥】发送到服务器。
（6）服务器接收到客户端发来的密文密钥之后，用自己之前保留的私钥对其进行非对称解密，解密之后就得到客户端的【对称密钥】，然后用客户端的【对称密钥】对返回数据进行加密，这样传输的数据都是密文了。
（7）服务器将加密后的密文数据返回到客户端。
（8）客户端收到后，用自己的【对称密钥】对其进行对称解密，得到服务器返回的数据。

注：Token 认证和 Base 认证方式只能进行服务端对客户端的单向认证，而客户端不知道服务端是否合法；而HTTPS 证书认证方式则可以实现双向认证。

（1）需要被认证的访问类型：

Kubernetes 组件对API Server的访问：kubectl、kubelet、kube-proxy
Kubernetes 管理的Pod对容器的访问：Pod（coredns, dashborad 也是以 Pod 形式运行）

（2）安全性说明：

Controller Manager、Scheduler与API Server在同一台机器，所以直接使用API Server的非安全端口访问（比如 8080端口）
kubectl、kubelet、kube-proxy 访问API Server就都需要证书进行HTTPS双向认证，端口号使用6443

（3）证书颁发：

手动签发：使用二进制部署时，需要先手动跟CA进行签发HTTPS证书
自动签发：kubelet首次访问API Server时，使用token做认证，通过后，Controller Manager会为kubelet 生成一个证书，以后的访问都是用证书做认证了

（4）kubeconfig

kubeconfig文件包含集群参数（CA证书、API Server地址），客户端参数（上面生成的证书和私钥），集群context上下文参数（集群名称、用户名）。 Kubernetes组件（如kubelet、kaube-proxp）通过启动时指定不同的kubeconfig文件可以切换到不同的集群﹐连接到apiserver。
也就是说kubeconfig文件既是一个集群的描述，也是集群认证信息的填充。包含了集群的访问方式和认证信息。文件默认位于~/.kube/config

（5）service Account

Service Account是为了方便Pod中的容器访问API Server。因为Pod的创建、销毁是动态的，所以要为每一个Pod手动生成证书就不可行了。Kubenetes使用了Service Account来循环认证，从而解决了Pod访问API Server的认证问题。

（6）secret与SA的关系

Kubernetes设计了一种资源对象叫做Secret，分为两类：

用于保存ServiceAccount的service-account-token
用于保存用户自定义保密信息的Opaque

Service Account中包含三个部分：

Token：是使用API Server私钥签名的Token字符串序列号，用于访问API Server时，Server端认证
ca.crt：ca根证书，用于client端验证API Server发送来的证书
namespace：标识这个service-account-token的作用域名空间
- 默认情况下，每个namespace都会有一个Service Account，如果Pod在创建时没有指定Service Acount，就会使用pod所属的namespace的Service Account。每个Pod在创建后都会自动设置spec.serviceAccount为default（除非指定了其他Service Accout）。

kubectl get sa
#每个Pod启动后都会挂载该ServiceAccount的Token、ca.crt、

鉴权（Authorization）

之前的认证（Authentication）过程，只是确认通信的双方都确认了对方是可信的，可以相互通信。而鉴权是确定请求方有哪些资源的权限。API Server目前支持以下几种授权策略：（通过API Server的启动参数"--authorization-mode"设置）

AlwaysDeny：表示拒绝所有的请求，一般用于测试
AlwaysAllow：允许接收所有请求，如果集群不需要授权流程，则可以采用该策略，一般用于测试
ABAC（Attribute-Based Access Control）：基于属性的访问控制，表示使用用户配置的投权规则对用户请求进行匹配和控制。也就是说定义一个访问类型的属性，用户可以使用这个属性访对应的资源。此方式设置较为繁琐，每次设置需要定义一长串的属性才可以。已被RBAC所代替。
Webhook：通过调用外部REST服务对用户进行授权，即可在集群外部对K8S进行鉴权
RBAC（Role-Based Access Control）：基于角色的访问控制，K8S自1.6版本起默认使用规则

RBAC相对其它访问控制方式，拥有以下优势：

对集群中的资源（Pod,Deployment,Service）和非资源（元信息或者资源状态）均拥有完整的覆盖
整个RBAC完全由几个API资源对象完成，同其它API资源对象一样，可以用kubectl或API进行操作
可以在运行时进行调整，无需重启API Server，而ABAC则需要重启API Server

RBAC的API资源对象说明

RBAC引入了4个新的顶级资源对象：Role、ClusterRole、RoleBinding、ClusterRoleBinding，4种对象类型均可以通过kubectl与 API Server操作。
官方文档：https://kubernetes.io/docs/reference/access-authn-authz/rbac/

角色

Role：授权指定命名空间的资源控制权限，仅在单个namespace有效
ClusterRole：可以授权所有命名空间的资源控制权限，在所有namespace有效

如果使用RoleBinding绑定ClusterRole，仍会受到命名空间的影响;如果使用clusterRoleBinding 绑定ClusterRole，将会作用于整个K8S集群。

角色绑定

RoleBinding：将角色绑定到主体（即subject）
ClusterRoleBinding：将集群角色绑定到主体

主体（subject）

User：用户
Group：用户组
ServiceAccount：服务账号

User使用字符串表示，它的前缀system:是系统保留的，集群管理员应该确保普通用户不会使用这个前级格式；Group书写格式与User相同，同样system:前缀也为系统保留。
Pod使用ServiceAccount认证时，service-account-token中的JWT会保存用户信息。
有了用户信息，再创建一对角色/角色绑定（集群角色/集群角色绑定）资源对象，就可以完成权限绑定了。

Role and ClusterRole

在RBAC API中，Role表示一组规则权限，权限只能增加（累加权限），不存在一个资源一开始就有很多权限而通过RBAC对其进行减少的操作。也就是说只有白名单权限，而没有黑名单权限的概念。

Role只能定义在一个namespace中，如果想要跨namespace则可以创建ClusterRole，也就是说定义ClusterRole不需要绑定namespace

Role示例：

apiversion: rbac.authorization.k8s.io/v1 #指定core API组和版本
kind: Role  #指定类型为Role
metadata:
  namespace: default    #使用默认命令空间
  name: pod-reader      #Role的名称
rules:      #定义规则
- apiGroups: [""]       #""表示apiGroups和apiVersion使用相同的core API组，即rbac.authorization.k8s.io
  resources: ["pods"]   #资源对象为Pod类型
  verbs: ["get", "watch", "list"]   #被授予的操作权限

#以上配置的意义是，如果把 pod-reader这个Role赋子给一个用户，那么这个用户将在default命令空间中具有对Pod 资源对象进行get（获取）、 watch（监听）、list（列出）这三个操作权限。

ClusterRole示例：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  #"namespace"被忽略，因为ClusterRoles不受名字空间限制
  name: secret-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["secrets"]    #资源对象为Secret类型
  verbs: ["get", "watch", "list"]

RoleBinding and ClusterRoleBinding

RoleBinding可以将角色中定义的权限授予用户或用户组，RoleBinding包含一组主体（subject）, subject中包含有不同形式的待授予权限资源类型（User、Group、serviceAccount）；
RoloBinding同样包含对被绑定的Role引用；
RoleBinding适用于某个命名空间内授权，而ClusterRoleBinding适用于集群范围内的授权

RoleBinding示例1:

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: User
  name: zhangsan
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

#将default命名空间的pod-reader Role授予zhangsan用户，此后zhangsan用户在default命名空间中将具有 pod-reader的权限。

RoleBinding同样可以引用ClusterRole来对当前namespace内User、Group或ServiceAccount进行授权，
这种操作允许集群管理员在整个集群内定义一些通用的ClusterRole，然后在不同的namespace中使用RoleBinding 来引用。

RoleBinding示例2:

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-secrets
  namespace: kube-public
subjects:
- kind: User
  name: lisi
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: secret-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

以上：RoleBinding引用了一个Clusterole，这个ClusterRole具有整个集群内对secrets的访问权限；但是其授权用户lisi只能访问kube-public空间中的secrets（因为RoleBinding定义在kube-public命名空间）。

使用ClusterRoleBinding可以对整个集群中的所有命名空间资源权限进行授权

ClusterRoleBinding示例：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: read-secrets-global
subjects:
- kind: Group
  name: manager
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: secret-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

#以上ClusterRoleBinding授权manager组内所有用户在全部命名空间中对secrets进行访问。

Resources

Kubnernetes集群内一些资源一般以其名称字符串来表示，这些字符串一般会在API的URL地址中出现，同时某些资源也会包含子资源，例如log资源就属于pods的子资源，API中对Pod日志的请求URL样例如下：

GET /api/v1/namespaces/namespace/pods/name/log

kubectl logs nginx-pod -n kube-public
GET /api/v1/namespaces/namespace/pods/nginx-pod/log
#在这里，pods对应名字空间作用域的Pod资源，而log是pods的子资源。

如果要在RBAC授权模型中控制这些子资源的访问权限，可以通过/分隔符来分隔资源和子资源实现。

#以下是一个定义允许某主体读取 pods同时访问这些Pod的log子资源的 Role定义样例：
apiversion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  nane: pod-and-pod-logs-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods","pods/log"]
  verbs:["get", "list"]

#rules.verbs有："get", "list", "watch", "create", "update", "patch", "delete", "exec"
#rules.resources有："services", "endpoints", "pods", "secrets", "configmaps", "crontabs", "deployments", "jobs", "nodes", "rolebindings", "clusterroles", "daemonsets", "replicasets", "statefulsets", "horizontalpodautoscalers", "replicationcontrollers", "cronjobs"
#rules.apiGroups有："","apps", "autoscaling", "batch"

准入控制（Admission Control）

准入控制是API Server的一个准入控制器插件列表，通过添加不同的插件，实现额外的准入控制规则。发送到API Server的请求都需要经过这个列表中的每个准入控制器插件的检查，检查不通过，则拒绝请求。
一股建议直接采用官方歇认的准入控制器。

官方准入控制器推荐列表（不同版本各有不同）：

NanespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAocount,DefaultStorageClass,DefanltTolerationSeconds,MutatingedmissionmMechook,ValidatingAomissionWebhook,ResourceQuota,NodeRestriction

列举几个插件的功能:

NamespaceLifecycle：用于命令空间回收，防止在不存在的namespace上创建对象，防止删除系统预置namespace，删除namespace时，连带删除它的所有资源对象。
LimitRanger：用于配额管理，确保请求的资源不会超过资源所在Namespace的LimitRange的限制。
ServiceAccount：用于在每个Pod中自动化添加ServiceAccount，方便访问API Server。
ResourceQuota：基于命名空间的高级配额管理，确保请求的资源不会超过资源的ResourceQuota限制。
NodeRestriction：用于Node加入到K8s群集中以最小权限运行。

官方文档参考：https://kubernetes.io/zh/docs/reference/access-authn-authz/admission-controllers/

示例：创建一个用户只能管理指定的命名空间

#创建一个用户
useradd zhangsan
passwd zhangsan

#使用这个用户进行资源操作，会发现连接API Server时被拒绝访问请求
su - zhangsan

kubectl get pods
The connection to the server localhost:8080 was refused - did you specify the right host or port?

#创建用于用户连接到API Server所需的证书和kubeconfig文件
#先上传证书生成工具cfssl、cfssljson、cfssl-certinfo到/usr/local/bin目录中
chmod +x /usr/local/bin/cfssl*

mkdir /opt/zhangsan
cd /opt/zhangsan

vim user-cert.sh
#######################
cat > zhangsan-csr.json <<EOF

  "CN": "zhangsan",
  "hosts": [],
  "key": 
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  ,
  "names": [
    
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    
  ]

EOF
#API Server 会把客户端证书的 CN 字段作为 User，把 names.O 字段作为 Group

cd /etc/kubernetes/pki/
cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /opt/zhangsan/zhangsan-csr.json | cfssljson -bare zhangsan 
###############################

chmod +x user-cert.sh
./user-cert.sh
#/etc/kubernetes/pki/ 目录中会生成 zhangsan-key.pem、zhangsan.pem、zhangsan.csr

cd /opt/zhangsan

vim rbac-kubeconfig.sh
APISERVER=$1
# 设置集群参数
export KUBE_APISERVER="https://$APISERVER:6443"
kubectl config set-cluster kubernetes \\
  --certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt \\
  --embed-certs=true \\
  --server=$KUBE_APISERVER \\
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 设置客户端认证参数
kubectl config set-credentials zhangsan \\
  --client-key=/etc/kubernetes/pki/zhangsan-key.pem \\
  --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/zhangsan.pem \\
  --embed-certs=true \\
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 设置上下文参数
kubectl config set-context kubernetes \\
  --cluster=kubernetes \\
  --user=zhangsan \\
  --namespace=kgc \\
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 使用上下文参数生成 zhangsan.kubeconfig 文件
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

kubectl create namespace kgc
chmod +x rbac-kubeconfig.sh
./rbac-kubeconfig.sh 192.168.80.10

#查看证书
cat zhangsan-kubeconfig

mkdir /home/zhangsan/.kube
cp zhangsan.kubeconfig /home/zhangsan/.kube/config
chown -R zhangsan:zhangsan /home/zhangsan/.kube/

#RBAC授权
vim rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: kgc
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list", "create"]

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: kgc
subjects:
- kind: User
  name: zhangsan
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f rbac.yaml

kubectl get role,rolebinding -n kgc
NAME                                        AGE
role.rbac.authorization.k8s.io/pod-reader   32s

NAME                                              AGE
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/read-pods   32s

#切换用户，测试操作权限
su - zhangsan

vim pod-test.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx

kubectl create -f pod-test.yaml

kubectl get pods -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP           NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-test   1/1     Running   0          114s   10.244.2.2   node02   <none>           <none>

#访问svc资源就会被拒绝
kubectl get svc
Error from server (Forbidden): services is forbidden: User "zhangsan" cannot list resource "services" in API group "" in the namespace "kgc"

#也无法访问default命名空间
kubectl get pods -n default
Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "zhangsan" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "default"

#使用root用户查看
kubectl get pods --all-namespaces -o wide
NAMESPACE     NAME        READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
kgc           pod-test    1/1     Running   0          107s   10.244.2.2      node02   <none>           <none>
......
#由此可以看出RoleBinding的用户只能管理指定的命名空间中的资源

#也可以通过绑定admin角色，来获得管理员权限
kubectl create rolebinding zhangsan-admin-binding --clusterrole=admin --user=zhangsan --namespace=kgc

总结

认证

鉴权

AlwaysDeny   AlwaysAllow   ABAC   Webhook   RBAC（默认）

角色
Role        仅在指定的某个命名空间中有效
ClusterRole 默认都可以在K8S所有命名空间中有效
都可以实现定义角色赋予权限（list，get，create，delete，watch……）

把主体（user，group，serviceaccount）和角色进行绑定，使主体拥有相对应的权限

RoleBinding和同一命名空间的Role绑定，可以使主体在这个命名空间中具有相应权限；
           和ClusterRole绑定，以使主体在RoleBinding所在的命名空间中具有相应的权限

ClusterRoleBinding和ClusterRole绑定可以使主体在K8S所有命名空间中具有相应的权限

RBAC

先创建Role ClusterRole定义角色赋予权限 定义资源类型和对这个资源的操作权限
再创建RoleBinding ClusterRoleBinding 把主体和角色进行绑定

准入控制器

Pod给每个容器设置资源上限resource.requests，limits

LimitRanger：如果Pod没有设置requests，limits，则会使用当前命名空间的最大资源
- default resource.requests.memory 512Mi resources.request.cpu 0.5
RecourceQuota：限制在当前命名空间中能够创建的资源数量，例：pod 20 service 10 …
- requests.memory 2Gi requests.cpu 2 limits.memory 4Gi limits.cpu 4

如果想让一个普通用户具有接入K8S并有相关资源的操作权限

首先做证书认证，使用CA证书和私钥创建证书，使用证书生成相对应的kubeconfig配置文件，把kubeconfig导入到用户的家目录中./kube/config文件
第二步做RBAC授权，先创建Role赋予资源操作的权限，在创建RoleBinding，把用户和角色绑定
此后用户就具有在相关的命令空间中对指定资源的操作权限了

用户要想在K8S进行资源操作，需要通过，认证、鉴权和准入控制三大关

认证：组件是通过证书和kubeconfig，https 6443端口连接apiserver，pod通过serviceaccount的token访问apiserver
鉴权：RBAC，先创建Role|ClusterRole创建角色赋予给资源操作的权限，RoleBinding|ClusterRoleBinding把用户和角色绑定
准入控制：使用准入控制器插件对资源请求做检查

以上是关于Kubernetes的安全机制的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Kubernetes的安全机制

kubernetes 安全认证机制

Kubernetes(k8s)集群安全机制之访问控制

第152天学习打卡（Kubernetes 集群安全机制）

kubernetes之kubelet运行机制分析

Kubernetes 安全权限管理深度剖析